Aufrufe
vor 2 Wochen

O+P Fluidtechnik 9/2017

O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE FORSCHUNG UND

ANTRIEBE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 1.1.3 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE DER EXERGETISCHEN EFFIZIENZ 1-6 1.6 Exergiebedarf pro Doppelhub in J Exergiebedarf elektromechanischer Linearantriebe je Doppelhub Exergiebedarf elektromechanischer Linearantriebe je Doppelhub 600 500 400 300 200 0 Exergiebedarf je Doppelhub horizontal v = 0,2 m/s Im Folgenden sollen die erzielten Ergebnisse zur Messung des Exergiebedarfs pneumatischer und elektromechanischer Antriebe für ausgewählte Lastfälle verglichen werden. Bild 1-5 zeigt einen Vergleich beider Antriebssysteme am Beispiel vertikaler Hubvariationen auf Basis der für einen Doppelhub benötigten Exergie. Es werden Hübe von 200 und 800 mm bei Lastmassen von 10, 15 und 25 kg betrachtet. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Haltedauer keinerlei Einfluss auf den Exergiebedarf pneumatischer Linearantriebe besitzt. Konträr dazu kann ein direkter Einfluss der Haltezeit auf den Exergiebedarf elektromechanischer Linearantriebe abgelesen werden. Je länger die Zyklusdauer ist, desto höher ist die Exergieaufnahme. Aufseiten der pneumatischen Linearantriebe ist ein signifikanter Einfluss der Baugröße auf den Exergiebedarf ablesbar, wie er bereits in Abschnitt 1.1.1 erläutert wurde. Folglich führt die Wahl eines größeren Zylinderdurchmessers zu einem erheblich größeren Exergiebedarf je Doppelhub. Bei der Auslegung pneumatisch angetriebener Systeme ist daher im Sinne einer guten Effizienz eine zutreffende Dimensionierung entscheidend. Insgesamt ist der Exergiebedarf der elektromechanischen Antriebe für alle dargestellten Lastfälle deutlich geringer als der der pneumatischen Antriebe. Wie in Abschnitt 1.1.2 dargestellt besitzt die Verfahrgeschwindigkeit einen signifikanten Einfluss auf den Exergiebedarf der elektromechanischen Antriebe. Bild 1-6 zeigt exemplarisch den Exergiebedarf für je einen Doppelhub in horizontaler und vertikaler Verfahrrichtung in Abhängigkeit von der Last (rot gestrichelter Rahmen), der Verfahrgeschwindigkeit (horizontal, blauer Rahmen) sowie der Haltezeit in den beiden Endlagen (vertikal, blauer Rahmen). Im linken Teilbild ist deutlich ablesbar, dass der Exergiebedarf mit steigender Last zunimmt. Zudem zeigt die Darstellung den steigenden Exergiebedarf des Antriebs bei verringerter Verfahrgeschwindigkeit. Durch die niedrigere Geschwindigkeit steigt die notwendige Zeit für die Bewegung und damit die Bestromungsdauer. Obwohl gleichzeitig die notwendige Antriebsleistung sinkt, steigt der Exergiebedarf für den Gesamtzyklus. Des Weiteren ist im rechten Teilbild nochmal der Einfluss der Haltezeit auf den Exergiebedarf zu erkennen. Außerdem kann auch im vertikalen Fall der mit der Last ansteigende Exergiebedarf abgelesen werden. Bei den pneumatischen Antrieben sind die Einflüsse durch die Haltezeit und die Last nicht erkennbar. Hier stellen der Versorgungsdruck und die Baugröße die entscheidenden Einflussfaktoren dar. Insbesondere durch eine Reduktion des Zylinderdurchmessers ist es in vielen Anwendungsfällen möglich, den Exergiebedarf erheblich zu reduzieren. 2 VERGLEICH DER TCO Zur Ermittlung der Lebenszykluskosten von Investitionsgütern, zu denen Linearantriebe zählen, existieren in der Literatur viele verschiedene Ansätze, wobei die Begriffe „Total Cost of Ownership“ und „Life Cycle Costs“ praktisch synonym genutzt werden können und sich hauptsächlich durch ihre Herkunft aus den Branchen Informationstechnik bzw. klassischer Investitionsgüter wie Maschinen und Gebäuden unterscheiden [Sch09]. Eine allgemeine Definition des Begriffs der Lebenszykluskosten findet sich bei Norris [Nor01]: Last 10 kg Last 15 kg Last 50 kg Last 7,5 kg Last 15 kg Exergiebedarf pro Doppelhub in J 700 600 500 400 300 200 100 10 20 30 40 50 0 6 Last in kg Exergiebedarf je Doppelhub vertikal 8 10 12 14 16 Last in kg v = 0,3 m/s v = 0,4 m/s Haltezeit 0 s Haltezeit 2 s Haltezeit 10 s 46 O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE 2-1 Zusammensetzung der TCO 2-1 Tabelle: Zusammensetzung der TCO „Lebenszykluskosten vergleichen die Kosteneffizienz alternativer Investitionen oder Geschäftsentscheidungen aus der Sicht eines wirtschaftlichen Entscheidungsträgers wie eines Industrieunternehmens oder eines Konsumenten.“ Allen Ansätzen gemein ist, dass die Kosten in fünf Hauptblöcke aufgeteilt werden. Diese sind in Bild 2-1 schematisch dargestellt. Vor der ausführlichen Bestimmung der TCO als Kriterium für eine Investitionsentscheidung sollte immer eine erste Abwägung auf der Basis der Leistungsdaten erfolgen. Auf diese Weise ist schon vor der Abschätzung der Wirtschaftlichkeit eine Reduktion des Lösungsraums möglich. Bei der eigentlichen Erstellung der Analyse müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. So sind die Instandhaltungskosten anhand der geplanten Instandhaltungsstrategie abzuschätzen. Weiterhin ist eine Erfassung der Einsatzbedingungen und der geplanten Nutzungsdauer notwendig. Die geplante Nutzungsdauer entscheidet beispielweise, inwieweit höhere Betriebskosten Kostenvorteile einer Alternative bei der Anschaffung ausgleichen oder sogar übertreffen können [VDI05]. Kostenart Entstehungskosten Beschaffung Installation Inbetriebnahme Sonstige Beschaffungskosten Infrastrukturkosten Netzinfrastruktur Betriebskosten Wartung & Inspektion Geplante Instandsetzung Raumkosten Energiekosten Personalkosten Rüstkosten Sonstige Betriebskosten Verwertungskosten Demontage & Außerbetriebnahme Entsorgungskosten Restwert Sonstige Verwertungskosten Die Berechnung der TCO für die verschiedenen Antriebe und Einsatzfälle erfolgt in Anlehnung an das VDMA-Einheitsblatt 34160 [VDM06]. Die vom Einheitsblatt vorgeschlagenen Kostenstellen sind in Tabelle 2-1 aufgelistet. Weiterhin gibt die Tabelle an, wie die Abschätzung der jeweiligen Kostenstellen erfolgte. Abweichend von der Vorgehensweise, die im VDMA-Einheitsblatt vorgeschlagen wird, wurde zusätzlich eine dynamische Kostenrechnung eingefügt. Dieses Vorgehen wird von der VDI-Richtlinie 2884 empfohlen, da so auch der Zeitpunkt der anfallenden Kosten in die Rechnung einbezogen wird [VDI05]. Für die dynamische Kostenrechnung wird die Kapitalwertmethode genutzt, bei der alle Kosten nach Gl. 2-1 auf den Zeitpunkt der Investition abgezinst werden. Durch dieses Vorgehen werden Zahlungen, die früh im Lebenszyklus getätigt werden, höher bewertet als Zahlungen, die zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. n L K = e − a q + −a − −i ∑( i i) ( Gl.2 1 n ) 0 0 i= 0 q Ermittlung im Projekt Ermittlung anhand gezahlter Preise Abschätzung anhand des Zeitaufwands Abschätzung anhand des Zeitaufwands Vergleichende Betrachtung Kosten für das Druckluftnetz in Druckluftkosten integriert, Kosten für el. Infrastruktur vernachlässigt Qualitative Abschätzung Qualitative Abschätzung Gleich für beide Technologien, Raumkosten für Drucklufterzeugung in Druckluftkosten integriert Kosten für elektrischen Strom und Drucklufterzeugung Gleich für beide Technologien Vergleichende Betrachtung Vergleichende Betrachtung Abschätzung anhand des Zeitaufwands Vergleichende Betrachtung Abschätzung Vergleichende Betrachtung 2.1 BERECHNUNG Der Kapitalwert K 0 des Antriebs wird für einen Zeitraum von n Jahren aus den Einnahmen e i und den Ausgaben a i in jedem Jahr berechnet, die mit dem Abzinsungsfaktor q auf den Zeitpunkt der Investition bezogen werden. Hinzu kommen die Startinvestition a 0 und ein eventuell vorhandener Restwert L, der auch negativ ausfallen kann, wenn am Ende der Lebensdauer weitere Kosten (z. B. für die Demontage und Entsorgung) anfallen. [Her14]. 2.2 VERGLEICH Je nach Lastfall kommen unterschiedliche Antriebe zum Einsatz, was sich deutlich auf die TCO auswirkt, da sich sowohl die Anschaffungskosten als auch der Energieverbrauch über die Lebensdauer ändern. Tabelle 2-2 zeigt beispielhaft die auf die O+P Fluidtechnik 9/2017 47

© 2016 by Vereinigte Fachverlage GmbH. Alle Rechte vorbehalten.